Quase 15 anos após a descoberta dos MXenes, uma classe versátil de nanomateriais condutores bidimensionais, pesquisadores da Universidade Drexel desenvolveram uma maneira de criar uma versão unidimensional conhecida como nanoscrolls MXene. Estas estruturas ultrafinas, cerca de 100 vezes mais finas que um fio de cabelo humano, são ainda mais condutoras do que as suas contrapartes planas e podem melhorar significativamente tecnologias como dispositivos de armazenamento de energia, biossensores e dispositivos eletrónicos vestíveis.
Um estudo publicado na revista Materiais adicionaisapresenta um método escalável para produzir esses nanoscrolls a partir de precursores MXene, controlando com precisão sua forma e composição química.
“A morfologia bidimensional é muito importante em muitas aplicações. No entanto, existem aplicações em que a morfologia 1D é melhor, “disse Yuriy Gagotsy, Ph.D., Universidade Emérita e Professor da Drexel Bach College of Engineering, que foi autor correspondente do artigo. “É como comparar uma chapa de aço com tubos ou acessórios de metal. São necessárias chapas para fazer carrocerias de automóveis, e tubos ou hastes longos são necessários para bombear água ou reforçar concreto.”
De folhas planas a nanoestruturas tubulares
A equipe criou os nanoscrolls torcendo flocos planos de MXene em minúsculas estruturas tubulares que são cerca de dez mil vezes mais finas que um cano de água. Esses materiais semelhantes a tubos podem fortalecer polímeros e metais ou controlar o movimento de íons em baterias e sistemas de dessalinização com resistência muito menor.
“Com MXenes 2D padrão, os flocos são empilhados uns sobre os outros, o que cria um espaço limitado e um caminho difícil para os íons ou moléculas navegarem e se moverem entre as camadas”, disse Teng Zhang, Ph.D., pós-doutorado na Faculdade de Engenharia e co-autor do estudo. “Ao converter nanofolhas 2D em bobinas 1D, evitamos esse efeito de nanoconfinamento. A geometria tubular aberta cria efetivamente ‘rodovias’ para transporte rápido, permitindo que os íons se movam livremente.”
Embora estruturas semelhantes de grafeno, como nanotubos de carbono, já sejam bem conhecidas, produzir nanoscrolls MXene consistentes e de alta qualidade tem sido um desafio. Os MXenes têm vantagens sobre o grafeno, incluindo uma composição química mais rica, processamento mais fácil e maior condutividade, mas tentativas anteriores de formar as bobinas produziram frequentemente resultados desiguais.
Um método escalável para a produção de nanoscrolls MXene
Para fazer os nanoscrolls, os pesquisadores começam com flocos multicamadas de MXene. Ajustando cuidadosamente o ambiente químico, eles utilizam água para alterar a composição química da superfície do material. Isso causa um desequilíbrio estrutural denominado reação de Janus, que cria tensão interna nas camadas. Quando essa tensão é liberada, as camadas se soltam e se torcem em espirais apertadas.
A equipe aplicou com sucesso esse método a seis tipos de MXenes, incluindo duas formas de carboneto de titânio, bem como carboneto de nióbio, carboneto de vanádio, carboneto de tântalo e carboneto de titânio. Eles foram capazes de produzir consistentemente 10 gramas de nanoscrolls com propriedades químicas e físicas controladas.
Melhor condutividade e capacidades de detecção
A estrutura em forma de espiral não só melhora a condutividade elétrica e a resistência mecânica, mas também altera a forma como o material interage com as moléculas. Isso o torna particularmente promissor para detecção e materiais compósitos avançados.
“Em uma estrutura 2D multidimensional padrão, os locais ativos de adsorção molecular estão frequentemente escondidos entre as camadas, tornando difícil para as moléculas, especialmente biomoléculas grandes, alcançá-los”, disse Gogatsy. “A estrutura oca aberta do scroll resolve esse problema, permitindo que os analitos tenham fácil acesso à superfície do MXene. Combinado com a alta condutividade e rigidez mecânica do material, isso garante a obtenção de um sinal forte e estável. Portanto, prevemos o uso de bobinas no biossensor. A mesma área de superfície acessível de bobinas condutoras pode ser útil para sensores de gás, capacitores eletroquímicos e outros dispositivos que requerem acesso a íons e moléculas. às superfícies.”
Aplicações em eletrônicos vestíveis e têxteis inteligentes
Os pesquisadores também veem um grande potencial para os nanoscrolls MXene em eletrônicos vestíveis, também conhecidos como dispositivos ionotrônicos. Nestes sistemas, as bobinas podem fortalecer os materiais e melhorar a condutividade. Sua estrutura rígida permite ancoragem em polímeros macios, agregando resistência e mantendo uma rede condutora confiável.
Essa combinação pode levar a materiais elásticos que continuam a funcionar mesmo sob flexões e movimentos repetidos.
A equipe também descobriu que a orientação dos nanoscrolls em solução pode ser controlada por um campo elétrico. Isto significa que podem ser alinhados com as fibras dos têxteis, criando revestimentos mais fortes e eletricamente condutores para tecidos inteligentes.
“Imagine manipular milhões de tubos que são 100 vezes mais finos que um fio de cabelo humano para fazê-los construir um fio ou ficar em pé verticalmente para fazer uma escova”, disse Zhang. “Esta é a verdadeira nanotecnologia, pois podemos manipular a matéria em nanoescala. Este é também um desenvolvimento importante para os têxteis funcionais, uma vez que as bobinas podem ser incorporadas como materiais de reforço em fibras sintéticas.”
Supercondutividade e futuras aplicações quânticas
Olhando para o futuro, os investigadores planeiam investigar mais aprofundadamente como estes nanoscrolls se comportam a nível quântico, particularmente o seu potencial de supercondutividade.
“Até agora, a supercondutividade nesta classe de MXenes tem sido limitada a grânulos prensados de partículas e pós, e nunca foi realizada em filmes processados em solução com flexibilidade mecânica”, disse Gogazzi. “Usando bobinas de carboneto de nióbio, observamos pela primeira vez uma mudança no material suficiente para produzir supercondutividade em filmes macroscópicos independentes. O processo de rolagem introduz uma tensão e curvatura específicas na rede que está ausente em folhas planas. Embora o mecanismo físico exato ainda esteja em estudo, levantamos a hipótese de que essa deformação, combinada com a estrutura 1D contínua, estabiliza o estado supercondutor.”
À medida que cresce o interesse em materiais quânticos, nanomateriais como os MXenes estão atraindo a atenção por sua capacidade de melhorar o poder de computação e o armazenamento de dados. Este trabalho marca um importante passo em direção à transformação da supercondutividade do MXene em uma propriedade mais prática e conveniente.
“Usando as técnicas descritas neste artigo, agora podemos processar MXenes supercondutores em filmes flexíveis, revestimentos ou fios à temperatura ambiente para potenciais conectores supercondutores ou sensores quânticos”, disse Zhang. “Esperamos muitos outros fenômenos interessantes induzidos pela rolagem e vamos estudá-los.”
